O universo primitivo poderia estar cheio de buracos muito escuros: WebCuriosos

Os buracos negros supermassivos são alguns dos objetos mais impressionantes (e assustadores) do universo – com massas cerca de mil milhões de vezes superiores à do Sol. E sabemos que já existem há muito tempo.

Na verdade, os astrônomos detectaram as fontes compactas extremamente luminosas que estão localizadas nos centros das galáxias, conhecidas como quasares (buracos negros supermassivos de rápido crescimento), quando o universo tinha menos de 1 bilhão de anos.

Agora, nosso novo estudo, publicado em Cartas de diários astrofísicosusou observações do Telescópio Espacial Hubble para mostrar que havia muito mais buracos negros (muito menos luminosos) no universo primitivo do que as estimativas anteriores sugeriam. Curiosamente, isto pode ajudar-nos a compreender como se formaram – e porque é que muitos deles parecem ser mais massivos do que o esperado.

Os buracos negros crescem engolindo o material que os rodeia, num processo conhecido como acreção. Isso produz enormes quantidades de radiação. A pressão desta radiação coloca um limite fundamental sobre a rapidez com que os buracos negros podem crescer.

Os cientistas foram, portanto, confrontados com um desafio para explicar estes primeiros quasares massivos: sem muito tempo cósmico para se alimentarem, ou devem ter crescido mais rapidamente do que fisicamente possível, ou ter nascido surpreendentemente massivos.

Sementes leves vs pesadas

Mas como se formam os buracos negros? Existem várias possibilidades. A primeira é a chamada buracos negros primordiais existem desde logo após o big bang. Embora seja plausível para buracos negros com massas baixas, os buracos negros massivos não podem ter-se formado em números significativos de acordo com o modelo padrão da cosmologia.

Os buracos negros definitivamente podem se formar (agora verificado pela astronomia de ondas gravitacionais) nos estágios finais das curtas vidas de algumas estrelas massivas normais. Esses buracos negros poderiam, em princípio, crescer rapidamente se se formassem em aglomerados estelares extremamente densos, onde estrelas e buracos negros pudessem se fundir. São essas “sementes de massa estelar” de buracos negros que precisariam crescer muito rápido.

A alternativa é que eles poderiam se formar a partir de “sementes pesadas“, com massas cerca de 1.000 vezes maiores do que as estrelas massivas conhecidas. Um desses mecanismos é um “colapso direto”, no qual estruturas iniciais da substância desconhecida e invisível conhecida como matéria escura confinavam nuvens de gás, enquanto a radiação de fundo as impedia de formar estrelas. Em vez disso, eles colapsaram em buracos negros.

O problema é que apenas uma minoria dos halos de matéria escura cresce o suficiente para formar tais sementes. Portanto, isto só funciona como explicação se os primeiros buracos negros forem suficientemente raros.

Muitos buracos negros

Durante anos, tivemos uma boa imagem de quantas galáxias existiram nos primeiros mil milhões de anos do tempo cósmico. Mas encontrar buracos negros nestes ambientes foi extremamente desafiador (apenas quasares luminosos puderam ser comprovados).

Embora os buracos negros cresçam engolindo material circundante, isso não acontece a um ritmo constante – eles quebram a sua alimentação em “refeições”, o que faz com que o seu brilho varie ao longo do tempo. Monitorizámos algumas das primeiras galáxias em busca de mudanças no brilho ao longo de um período de 15 anos e utilizámos isto para fazer um novo censo de quantos buracos negros existem por aí.

Acontece que existem várias vezes mais buracos negros residindo em galáxias primitivas comuns do que pensávamos originalmente.

Outro trabalho recente e pioneiro com o Telescópio Espacial James Webb (JSTW) começou para chegar a conclusões semelhantes. No total, temos mais buracos negros do que os que podem formar-se por colapso direto.

Existe outra forma, mais exótica, de formar buracos negros que poderia produzir sementes massivas e abundantes. As estrelas se formam pela contração gravitacional de nuvens de gás: se um número significativo de partículas de matéria escura puder ser capturado durante a fase de contração, então a estrutura interna poderia ser totalmente modificado – e a ignição nuclear evitada.

O crescimento poderia, portanto, continuar por muito mais tempo do que o tempo de vida típico de uma estrela comum, permitindo-lhes tornar-se muito mais massivos. No entanto, como as estrelas comuns e os objetos em colapso direto, nada é capaz de resistir à força avassaladora da gravidade. Isso significa que essas “estrelas escuras” também deverão eventualmente entrar em colapso para formar buracos negros massivos.

Acreditamos agora que processos semelhantes a este deveriam ter ocorrido para formar o grande número de buracos negros que observamos no universo infantil.

Planos futuros

Os estudos sobre a formação inicial de buracos negros sofreram uma transformação nos últimos dois anos, mas, de certa forma, este campo está apenas começando.

Novos observatórios no espaço, como a missão de Euclides ou o Telescópio Espacial Romano Nancy Gracepreencherá nosso censo de quasares mais fracos nos primeiros tempos. O Missão NovaAthena e o Matriz de Quilômetros Quadradosna Austrália e na África do Sul, irá desbloquear a nossa compreensão de muitos dos processos que rodeiam os buracos negros nos primeiros tempos.

Mas é realmente o JWST que devemos observar no imediato. Com a sua sensibilidade para imagens e monitorização e capacidades espectroscópicas para observar a atividade muito ténue dos buracos negros, esperamos que os próximos cinco anos consigam realmente determinar os números dos buracos negros à medida que as primeiras galáxias se formavam.

Podemos até detectar a formação de buracos negros em flagrante, testemunhando as explosões associadas ao colapso das primeiras estrelas primitivas. Os modelos dizem que isso é possível, mas exigirá um esforço coordenado e dedicado por parte dos astrónomos.

Mateus J. HayesProfessor Associado de Astrofísica, Universidade de Estocolmo

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